Présentation
Auteur(s)
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Riad BENELMIR : Ph. D. Mechanical Engineering – Thermal Sciences (Georgia Tech - Atlanta) - Professeur à l’Université de Lorraine - Laboratoire LERMAB – Équipe Efficacité Énergétique
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André LALLEMAND : Ingénieur, docteur ès sciences - Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
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Michel FEIDT : Ingénieur, docteur ès sciences - Professeur à l’Université Henri-Poincaré Nancy 1
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les premier et deuxième principes de la thermodynamique sont des « lois » incontournables dans la résolution des problèmes liés à l’énergétique. Le premier principe stipule l’égalité des diverses formes d’énergie (thermique, mécanique, électrique...) et donne lieu à l’examen des flux d’énergie auxquels sont soumis les divers systèmes, puis à l’écriture du bilan qui doit traduire la conservation de l’énergie. Cependant, on constate que s’il y a égalité quantitative des diverses formes d’énergie, la qualité des diverses formes d’énergie varie d’une forme à l’autre, voire à l’intérieur d’une forme donnée, et varie aussi selon les situations considérées. Ainsi, un mégajoule d’énergie thermique à 1 000 ˚C ne représente pas le même « potentiel » énergétique qu’un mégajoule de la même énergie thermique à 20 ˚C. De même, le potentiel d’utilisation d’un mégajoule d’énergie mécanique apparaît rapidement, pour l’utilisateur qu’est l’ingénieur, différent du potentiel d’utilisation d’un mégajoule d’énergie thermique. En effet, si l’énergie mécanique peut être spontanément transformée en énergie thermique (par « dégradation » par exemple), la transformation inverse, non spontanée, nécessite de procéder selon un schéma très précis.
Ce sont tous ces éléments, liés à la qualité de l’énergie et aux processus de transfert et de transformation de l’énergie qui constituent le deuxième principe de la thermodynamique, considéré aussi comme un principe d’évolution.
La grandeur physique liée à cette évolution est l’entropie dont on observe la création dès que des opérations ont lieu en dehors de l’équilibre strict, c’est-à-dire pour toutes les opérations industrielles qui nécessairement doivent présenter une certaine cinétique pour avoir lieu en un temps fini. Ainsi, plus le déséquilibre est important dans un processus (transfert de chaleur dans un échangeur par exemple) plus la puissance mise en jeu est importante, tous autres paramètres étant égaux par ailleurs. Si cet aspect peut apparaître comme très positif, il y a, on peut s’en douter, une contrepartie : une grande cinétique de transfert se paie par une « dégradation» importante de l’énergie (transformation spontanée et irréversible d’une énergie réputée « noble » en chaleur) et une forte création d’entropie.
Ainsi, depuis fort longtemps, la création d’entropie a servi aux scientifiques pour mesurer la dégradation de l’énergie causée par les irréversibilités des transferts et des transformations énergétiques. Cependant, pour l’ingénieur, habitué à raisonner en termes énergétiques, donc, en joules, mégajoules ou kilowatts.heures, voire en termes de puissance, c’est-à-dire en watts, kilowatts ou mégawatts, cette mesure n’est pas pratique. En effet, l’entropie, ou son évolution dans le temps, se mesure en unité d’énergie, ou de puissance, par kelvin (J · K −1 ; W · K −1). Ce fait constitue au moins l’une des raisons de l’intérêt de l’emploi de la notion d’exergie pour traiter de ces problèmes de dégradation de l’énergie.
Dans cet article, les lois fondamentales de la thermodynamique sont rappelées et l’on présente la notion d’exergie et celle d’anergie, qui est la partie complémentaire permettant de retrouver l’énergie totale. L’exergie correspond à la part maximale d’énergie qui peut être transformée en énergie noble. Toute destruction d’exergie correspond ainsi à de la dégradation d’une quantité correspondante d’énergie. Elle se mesure en quantités énergétiques (joules...) ou de puissance (watts...) et peut alors être comparée directement aux énergies ou aux puissances mises en jeu dans les procédés étudiés. L’ingénieur dispose ainsi d’un moyen de chiffrage pratique de l’importance de la dégradation de l’énergie causée par le procédé industriel qu’il développe ou qu’il conduit.
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2. Exergie d’un système
L’exergie d’une certaine quantité de matière contenue dans un système est une mesure du potentiel de production (ou de réception) d’un travail maximal (ou minimal) par le supersystème (constitué du système et de son milieu ambiant) qui permettra à cette quantité de matière d’être ramenée de son état initial à un état d’équilibre inerte avec le milieu ambiant.
Considérons le système de la figure 1 qui est initialement dans un état quelconque caractérisé par son énergie En, son entropie S, son volume V, sa température T, sa pression P et son potentiel chimique µ. Comme ce système et son milieu ambiant ne sont pas en équi-libre (thermique, mécanique et chimique), ces deux régions vont avoir des échanges de chaleur, de travail et de matière. Nous allons exprimer le travail (ou énergie mécanique) que peut fournir le super-système lorsque le système passe de son état initial à un état inerte. Ce travail W, qui ne peut être maximal (W max) que si les transformations internes sont réversibles, donc en particulier en l’absence de transfert de chaleur, est égal à la variation d’énergie du supersystème :
où ΔEn et ΔEn 0 sont respectivement la variation d’énergie du système et de son milieu ambiant.
L’énergie du milieu ambiant (caractérisé par l’exposant « 0 ») est égale à son énergie interne U 0 :
L’énergie interne d’un système à composition variable (c’est-à-dire d’un système ouvert qui peut échanger de la matière avec son milieu extérieur) dépend d’un certain nombre de paramètres indépendants. Il est courant de choisir comme paramètres : son entropie S, son volume V, et dans le cas de systèmes ouverts, le nombre de moles de chaque espèce N...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MORAN (M.J.) - Availability Analysis : A Guide to Efficient Energy Use - . Prentice Hall, Inc., Wark K., Thermodynamics, Mc Graw-Hille Book Company, 1983.
-
(2) - KOTAS (T.J.) - The Exergy Method of Thermal Plant Analysis - . Krieger Publishing Company, 1995.
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(3) - BENELMIR (R.) - Optimisation thermoéconomique des systèmes et procédés énergétiques - . Mémoire de H.D.R., Université Henri- Poincaré Nancy I, 1998.
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Unités de Mesure SI
-
Formalisme et principe de la thermodynamique
-
Thermodynamique chimique. Définitions et relations fondamentales
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